第１１卷第８期 ２０１５年８月 中全生产科学技术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．１１ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１５ 文章编号：１６７３—１９３Ｘ（２０１５）一０８—００９０—０６ 大断面巷道中空预应力注浆锚杆的支护效果研究 吴大伟，吴爱军，苏华友 （西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳６１２０６０） 摘要：针对金川矿区大断面巷道在强构造应力作用下围岩变形严重的情况，提出了中空预应力 注浆锚杆的支护工艺。通过数值计算得出以下结论：相比传统的普通砂浆锚杆支护工艺，采用中 空预应力注浆锚杆支护工艺能够主动加固围岩，提高支护刚度；巷道两帮的变形减小了约 １４．５６％，最大、最小主应力分别降低了４．４％和７．２％，粘结层破坏范围也随之减小。通过对支护 后巷道变形监测发现：两帮最终变形量减小了约３６．６％；通过抗拔实验，中空预应力注浆锚杆的抗 拔力达到１４０ｋＮ，远大于普通砂浆锚杆的４０ｋＮ抗拔力，中空预应力注浆锚杆有更好的支护效果。 关键词：强构造应力；大断面巷道；中空预应力注浆锚杆；主动支护；砂浆饱满度 中图分类号：Ｘ９３６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．１１７３１／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—１９３ｘ．２０１５．０８．０１５ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｒｏａｄｗａｙ ＷＵ Ｄａ－ｗｅｉ，ＷＵ Ａｉ－ｊｕｎ，ＳＵ Ｈｕａ－ｙｏｕ （Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１２０６０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｕｎｄｅｒ ｓｔｒｏｎｇ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｒｏａｄ— ｗａｙ ｏｆ Ｊｉｎｃｈｕａｎ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｒａｗｎ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｆｏｒｍ ｗｉｔｈ ｍｏｒｔａｒ ｂｏｌｔ，ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｓ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｆｌ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｉｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｕｐ— ｐｏｒｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ．Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｗｏ—ｓｉｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ａｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ １４．５６％，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｍａｉｎ ｓｔｒｅｓｓ ａｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ４．４％ａｎｄ ７．２％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｍ— ａｇｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｂｏｎｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｈｓ ｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ａｆｔｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ．ｉｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｓｉｄｅｓ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｎｅａｒｌｙ ３６．６％．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎｔｉ—ｐｕｌｌｉｎｇ ｔｅｓｔ，ｔｈｅ ｐｕｌｌ—ｏｕｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ ｉｓ ｕｐ ｔｏ １４０ ＫＮ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆａｒ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｂｏｌｔｓ，ｂｅｉｎｇ ａｓ ４０ＫＮ．Ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｅ・ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｏｎｇ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ；ｌａｒｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｒｏａｄｗａｙ；ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ；ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ ｓｕｐｐｏｒｔ； ｐｌｕｍｐｎｅｓｓ ｏｆ ｍｏｒｔａｒ ０ 引言 金川矿区构造体系复杂，除古构造应力影响应 力场外，青藏高原的强烈隆起产生的推挤力与阿拉 善地块的阻挡作用使本区具有明显的构造应力特 征 ，水平应力普遍大于垂直应力，垂直应力大于 收稿日期：２０１５—０３—３０ 作者简介：吴大伟，硕士研究生。 基金项目：西南科技大学博士研究基金项目（１２ｚｘ７１１２） 第８期 中全生产科学技术 ・９１・ 上覆岩层重量，存在破碎和岩层不稳定的情况。局 部构造带也影响岩体稳定，易发生工程地质问题，地 下巷道的破坏大都受此控制 Ｊ。根据以上地质条 件，金川矿区广泛采用锚网喷支护 Ｊ，锚杆选用普 通砂浆锚杆。这些支护措施在一定程度上减缓了围 岩变形速度，但是根据现场情况来看，巷道变形严 重，支护效果不佳，围岩一支护共同作用没有达到耦 合效果。 中空预应力注浆锚杆集注浆、锚固于一体，采用 厚壁无缝钢管加工而成，表面呈左旋标准螺纹波形 螺纹，能够紧密联结围岩，使锚具具有永久支护力， 并可通过中空杆体实现高压注浆 』。但是，这种 锚杆主要应用于隧道开挖支护，而在金属矿山应用 较少。 本文通过运用理论分析、数值计算和现场实验 等方法对中空预应力注浆锚杆支护工艺在金川矿区 巷道支护效果进行研究，探讨了几个重要影响因素， 确立了主要施工工艺。 １ 中空预应力注浆锚杆的特点 在金川矿区现场实验，采用的中空预应力注浆 锚杆直径３２ｒａｍ，长度２．６ｍ，结构图如图１所示。 图１ 中空预应力注浆锚杆结构示意 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅｌｌｏｗ ｐｒｅ・ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ 该种锚杆采用中空杆体设置，可在安装好锚杆 后通过中空杆体空腔注浆，锚尾处的止浆塞和托板 可有效防止浆液外溢，保证了浆液的饱满度，能在锚 杆在锚固范围内传递剪应力和拉应力，地质条件复 杂时还可实现压力注浆，迫使浆液渗透到围岩中，使 锚固区域达到要求。 中空预应力注浆锚杆通过张拉设备给岩体施加 一定的预应力，支护后立即提供锚固力，其支护特征 线 。 如图２所示。 图２中空预应力注浆锚杆支护特征线 Ｆｉｇ．２ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｉｐｉｃａｌ ｌｉｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅｌｌｏｗ ｐｒｅ・ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ 中空预应力注浆锚杆支护特征方程有两部分组 成，即张拉荷载和变形荷载： ｒ ＋ ，＝ ＋ （１） 式中： 为支护径向反力； ｒ为中空预应力注 浆锚杆施加在巷道壁上的平均径向压力； ＝ ，表示普通砂浆锚杆的支护刚度；ＫＭ８为普通砂 １ 上 ‘ 浆锚杆的刚度；Ｄ。、Ｄ 为锚杆布置的间距、排距。Ｐ 为单根中空预应力注浆锚杆张拉荷载。 此时，中空预应力注浆锚杆的支护刚度可表 示为： ＝ ＋ （２） ｒ 根据式（１）、（２）、图２分析可得： １）中空预应力注浆锚杆支护刚度由两部分组 成。式（２）中第一项为预应力，表示普通砂浆锚杆 的支护刚度。 ２）中空预应力注浆锚杆主动性支护围岩，将巷 道周边围岩有二向受力状态变为三向受力状态，遏 制和延缓围岩强度的降低，控制第一张拉区的发展， 维护巷道围岩稳定 ｍ］。 ３）在高地应力巷道中，通过调节预应力调节， 增大预应力，获得较大的的支护反力，能够承受较高 的围岩压力。 第８期 中全生产科学技术 ・９５・ 大、最小主应力分别减小了７．２％和４．４％，并且减 小了水泥粘结层的破坏范围，有利于巷道稳定。 ３）现场效果表明，中空预应力注浆锚杆控制了 围岩的初期变形，减小了围岩的变形速度，减小了 ３６．６％的位移，提高了支护强度，减小了锚杆被拉 断，拉弯的危险，并且抗拔力达到１４０ｋＮ，远大于普 通砂浆锚杆的４０ｋＮ。 因此，在金川矿区强构造应力条件下，在大断面 巷道中应用中空预应力注浆锚杆代替传统的砂浆锚 杆能够达到更好的支护效果。 参考文献 ［１］刘高，韩文峰，聂德新．金川矿区地应力场特征［Ｊ］ 天津城市建设学院学报，２００２，８（２）：８１．８５ ＬＩＵ Ｇａｏ，ＨＡＨ Ｗｅｎ—ｆｅｎｇ，ＮＩＥ Ｄｅ—ｘｉｎ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔ ｉｃｓ ｏｆ ｅａｒｔｈ ｓｔｒｅｓｓ ｆ ｉｅｌｄ ｏｆ Ｊｉｎｃｈｕａｎ ｍｉｎｅ ａｒｅａ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏ ｆ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏ ｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２００２，８（２）： ８１．８５ ［２］刘增辉，高谦，姚维信，等．金川ｌｌＩ矿区破碎站硐室施 工变形监测与优化控制［Ｊ］．采矿与安全工程学报， ２０１２，９（１）：６０－６６ ＬＩＵ Ｚｅｎｇ—ｈｕｉ，ＧＡＯ Ｑｉａｎ，ＹＡＯ Ｗｅｉ－ｘｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｆｏｒｍ－ ａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｕｒｉｎｇ ｃｈａｍｂｅｒ ｃｏｎ－ ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｂｒｏｋｅｎ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｉｎｃｈｕａｎ Ｎｏ．３ Ｍｉｎｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２０１２，９（１）： ６０＿６６ ［３］刘同有．金川岩石力学与工程地质的研究［Ｊ］．岩石力 学与工程学报，１９９６，１５（２）：Ｉ１５－１２１ ＬＩＵ Ｔｏｎｇ—ｙｏｕ．Ｏｎｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｊｉｎｃｈｕａｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６，１５（０２）：１１５—１２１ ［４］ 宋恕夏，包四根．金川矿山地下工程地压特征及维护 ［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９１，１０（２）：１３８—１４８ ＳＯＮＧ Ｓｈｕ—ｘｉａ，ＢＡＯ Ｓｉ—ｇｅｎ．Ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｅａ— ｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｈｅ Ｊｉｎｃｈｕａｎ ｍｉｎｅ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １９９１，１０（２）：１３８—１４８ ［５］ 曹平，王飞，邱冠豪，等．软岩大变形巷道支护技术及 应用［Ｊ］．中全生产科学技术，２０１４，１０（８）：６９－７４ ＣＡＯ Ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｆｅｉ，ＱＩＵ Ｇｕａｎ—ｈａｏ，ｅｔ ａ１．Ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ｒｏａｄｗａｙ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏ１． ｏｇｙ，２０１４，１０（８）：６９－７４ ［６］ 程良奎．中空型注浆锚杆与普通砂浆锚杆的工作性能 比较［Ｊ］．公路隧道，２００４，（２）：５＿９ ＣＨＥＮＧ Ｌｉａｎｇ—ｋｕｉ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｐ— ｅｒｔｉｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｏｒｔａｒ Ｂｏｈ ａｎｄ ｔｈｅ Ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ［Ｊ］．Ｈｉｇｈｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ，２００４，（２）：５＿９ ［７］ 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